[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Direktsynthese von Methylchlorsilanen unter
Verwendung von Chlormethan mit reduziertem Gehalt an Sauerstoff.
[0003] Bei der Direktsynthese von Methylchlorsilanen wird metallisches Silicium mit Chlormethan
in Gegenwart von verschiedenen Katalysatoren und gegebenenfalls Promotoren umgesetzt,
wobei das Zielprodukt Dimethyldichlorsilan ist. Die Mischung aus Silicium, Katalysatoren
und Promotoren wird als Kontaktmasse bezeichnet. Weltweit werden derzeit jährlich
über 2000000 Tonnen Dimethyldichlorsilan hergestellt, d.h. kleine Verbesserungen im
Herstellungsprozess, wie beispielsweise Erhöhung der Dimethydichlorsilan-Selektivität,
Erhöhung der Dimethydichlorsilan spezifischen Raum-/Zeit-Ausbeute oder Erhöhung der
spezifischen Siliciumausbeute haben dadurch eine große wirtschaftliche Auswirkung.
[0005] Dem Fachmann ist bekannt, dass die Abtrennung von Sauerstoff, der beispielsweise
in Spuren mit den Rohstoffen eingebracht wird/werden kann, im ppm-Bereich schwierig
und kostenintensiv ist.
[0006] EP 893448 A beschreibt den Einsatz von Bor in der Kontaktmasse der Direktsynthese zur Erhöhung
des Anteils an Dimethyldichlorsilan.
[0007] Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Direktsynthese von Methylchlorsilanen
durch Umsetzung von Chlormethan mit einer Kontaktmasse, welche Silicium und Kupferkatalysator
enthält,
bei dem die Konzentration an Sauerstoff im eingesetzten Chlormethan durch Vermischen
von
- a) Chlormethan, welches Sauerstoff enthält und
- b) Chlormethan, welches eine gasförmig vorliegende Borverbindung enthält,
reduziert wird.
[0008] Überraschender Weise wurde gefunden, dass Kreislauf-Chlormethan (b) ein geeignetes
Medium sein kann, um letzte Sauerstoffspuren aus dem frischen Chlormethan (a) zu entfernen.
Durch die Entfernung der Sauerstoffspuren wird eine konstant hohe Reaktivität und
/oder Selektivität der Methylchlorsilansynthese sichergestellt.
[0009] Aus Sauerstoff aus dem Chlormethan (a) werden höhersiedende oder feste Verbindungen
gebildet, die keinen stark negativen Effekt mehr auf die Direktsynthese ausüben. Diese
gebildeten Verbindungen können bei Bedarf auch leicht vom Gasstrom abgetrennt werden
können.
[0010] Das Verfahren zur Herstellung von Methylchlorsilanen kann diskontinuierlich oder
kontinuierlich durchgeführt werden, in der industriellen Produktion wird nur die kontinuierliche
Ausführungsform angewendet. Kontinuierlich bedeutet, dass die Menge an abreagiertem
Silicium und mit dem Reaktionsstaub ausgetragenen Katalysatoren und gegebenenfalls
Promotoren laufend nachdosiert werden, vorzugsweise als vorgemischte Kontaktmasse.
Die kontinuierliche Direktsynthese wird bevorzugt in Wirbelschichtreaktoren durchgeführt,
in denen Chlormethan gleichzeitig als Fluidisierungsmedium und Reaktant eingesetzt
wird.
[0011] Das benötigte Silicium wird üblicherweise zuvor zu einem Pulver vermahlen und mit
Kupferkatalysator und Promotoren zur Kontaktmasse vermischt. Vorzugsweise wird Silicium
in einer Korngröße von höchstens 700 µm, besonders bevorzugt in einer Korngröße höchstens
600µm insbesondere höchstens 500µm eingesetzt. Das eingesetzte Silicium weist üblicherweise
einen Reinheitsgrad von > 98% auf.
[0012] Eine Produktionskampagne der kontinuierlichen Direktsynthese wird mit der Induktionsphase
begonnen. Mit Beginn der Induktionsphase wird Methylchlorid in die erhitzte Kontaktmasse
geleitet. Darauf folgt die Startphase, in welcher die Rohsilanbildung einsetzt. Die
Reaktion läuft vorerst mit geringer Selektivität und Reaktivität ab. Anschließend
wird die stabile Produktionsphase erreicht. Kontaktmasse wird laufend nachdosiert.
Die Produktionskampagne endet, wenn kein Chlormethan mehr in die Kontaktmasse eingeleitet
wird.
[0013] Beim kontinuierlichen Betrieb eines Reaktors fallen in einer Produktionskampagne
nach einer weitgehend stabilen Produktionsphase die Produktionsraten bezogen auf das
Zielprodukt Dimethyldichlorsilan ab. Deshalb muss die Produktionskampagne nach einer
bestimmten Zeit beendet werden. Eine Produktionskampagne dauert meist nur einige Tage
bis mehrere Wochen. Der Reaktor wird nach Beendigung einer Produktionskampagne entleert,
neu mit Kontaktmasse befüllt und wieder auf Reaktionsbedingungen gebracht.
[0014] Bei der Direktsynthese verlassen nicht umgesetztes Chlormethan, die gasförmigen Methylchlorsilane
und gegebenenfalls mitgerissene Partikel den Reaktor. Die mitgerissenen Partikel bestehen
aus abreagierten Siliciumkörnen, feinen Siliciumkörnern, Katalysatoren und Promotoren/Co-Katalysatoren.
Über einen oder mehrere Cyclone kann man, falls erwünscht, die mitgerissenen Partikel
vom Gasstrom abtrennen, wobei große mitgerissene Partikel aus der Kontaktmasse wieder
in den Reaktor zurückgeführt werden können. Das Silan wird anschließend von restlichen
Staubanteilen und nicht umgesetztem Chlormethan abgetrennt und einer Destillation
zugeführt.
[0015] Das Verfahren wird bevorzugt in einem Wirbelschichtreaktor, vorzugsweise im Temperaturbereich
von 250 bis 400°C, besonders bevorzugt bei 250 bis 360°C, insbesondere bei 280 bis
330°C durchgeführt. Weil dies den geringsten Aufwand erfordert, wird das Verfahren
meist beim Druck der umgebenden Atmosphäre, also bei etwa 0,1 MPa bis 0,5 MPa durchgeführt,
es können aber auch höhere Drücke angewandt werden.
[0016] Die Menge des Gasstromes wird in einer bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass
im Reaktor eine Wirbelschicht aus Kontaktmasse und Gas gebildet wird. Nicht umgesetztes
Chlormethan und die gasförmigen Methylchlorsilane verlassen den Reaktor. Die Zubereitung
der Kontaktmasse erfolgt durch einfaches Mischen der Einzelkomponenten bei Raumtemperatur.
Eine Behandlung der Kontaktmasse vor dem Einbringen in den Reaktor ist möglich, wird
aber in der bevorzugten Ausführungsform nicht durchgeführt.
[0017] Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Form des Kupfers vorzugsweise ausgewählt
aus metallischem Kupfer, Kupferlegierungen, Kupferoxid und Kupferchlorid. Kupferoxid
kann beispielsweise Kupfer in Form von Kupferoxid-Gemischen und in Form von Kupfer(II)oxid
sein. Kupferchlorid kann in Form von CuCl oder in Form von CuCl
2 eingesetzt werden, wobei auch entsprechende Mischungen möglich sind.
[0018] Vorzugsweise werden 0,3 bis 10 Gew.%, insbesondere 0,5 bis 7 Gew.% Kupfer in der
Kontaktmasse verwendet, besonders bevorzugt sind 0,5 bis 4,5 Gew.%.
[0019] Beim erfindungsgemäßen Verfahren können Promotoren in der Kontaktmasse eingesetzt
werden, die vorzugsweise ausgewählt werden aus Zink, Phosphor, Zinn und Antimon.
[0020] Zink wird vorzugsweise in Form von metallischem Zink, auch als Legierung mit Kupfer
und gegebenenfalls weiteren Promotoren, Zinkoxid, oder Zinkchlorid eingesetzt. Die
Menge an eingesetztem Zink in der Kontaktmasse beträgt vorzugsweise 0,001 - 1,0 Gew.-%
insbesondere 0,010 - 0,50 Gew.-%.
[0021] Der Zinngehalt in der Kontaktmasse beträgt vorzugsweise 5 bis 100 ppm, besonders
bevorzugt 10 bis 80 ppm, insbesondere 15 bis 60 ppm.
[0022] Das Chlormethan (a) ist vorzugsweise frisch hergestelltes Chlormethan, kurz "frisch
Chlormethan". Der Sauerstoffgehalt im frisch Chlormethan ist vorzugsweise so gering
wie möglich, ohne dass jedoch zusätzlich teure Reinigungsschritte zur Anwendung kommen.
[0023] Obwohl die Chlormethan-Synthese unter inerten Bedingungen durchgeführt wird, enthält
großtechnisch hergestelltes Chlormethan (a), bedingt durch die eingesetzten Rohstoffe,
so keine spezielle Sauerstoffentfernung zur Anwendung kommt, etwa 10 bis 50 Vol.-ppm
Sauerstoff.
[0024] Dem Fachmann ist bekannt, dass flüchtige Borverbindungen, wie niedrige Borane, beispielsweise
B
2H
6, und Organoborane, beispielsweise Me
3B, sehr heftig mit Sauerstoff reagieren. Borhalogenide, wie beispielsweise BCl
3, und Borane reagieren auch mit Wasser sehr heftig. In allen Fällen bilden sich höhersiedende
B-O Strukturen aus. Die Eigenschaften der Borhalogenide, Borane und Organoborane sind
beispielsweise in "
Ullmann"s Encyclopedia of Industrial Chemistry (on CD-ROM); Release 2006, 7th Edition" beschrieben.
[0025] Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden bevorzugt flüchtige Borverbindungen mit einem
Siedepunkt von kleiner +15°C, besonders bevorzugt sind Verbindungen mit einem Siedepunkt
im Bereich -40°C bis -15°C, im Chlormethan (b) eingesetzt. Insbesondere kommt Me
3B zum Einsatz.
[0026] Die Konzentration der flüchtigen Borverbindung im Chlormethan (b) beträgt beim erfindungsgemäßen
Verfahren mindestens 50 Vol.-ppm, bevorzugt sind mindestens 100 Vol.-ppm, besonders
bevorzugt sind mindestens 200 Vol.-ppm.
[0027] Die flüchtigen Borverbindungen können bei der Direktsynthese beispielsweise aus dem
in den eingesetzten Rohstoffen enthaltenen Bor oder Borverbindungen, durch entsprechende
Reaktionsführung, gebildet und zumindest teilweise im Chlormethan (b) belassen werden.
Flüchtige Borverbindungen können dem Chlormethan (b) aber auch zugesetzt werden.
[0030] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Chlormethan (b) Methylchlormonosilane.
Methylchlormonosilane reagieren mit Wasser unter der Ausbildung von höhersiedenen
Si-O-Si Verbindungen und HCl.
[0031] Die Methylchlormonosilane sind vorzugsweise Verbindungen der allgemeinen Formel H
x(CH
3)
ySiCl
z, mit der Maßgabe, dass x+y+z = 4; z = 1, 2 oder 3 und y = 1, 2 oder 3.
Vorzugsweise enthält das Chlormethan (b) pro m
3 bei 0,10 MPa und 20°C mindestens 5 mg Methylchlormonosilane, besonders bevorzugt
mindestens 10 mg Methylchlormonosilane, insbesondere mindestens 30 mg Methylchlormonosilane.
[0032] Aus dem nach der Direktsynthese den Reaktor verlassenden Produktgemisch werden die
gebildeten Methylchlorsilane, beispielsweise durch Kondensation, abgetrennt. Das verbleibende
Gasgemisch enthält nicht abreagiertes Chlormethan und zusätzlich unterschiedliche
Mengen an Inertgasen, wie beispielsweise Stickstoff, gesättigte Kohlenwasserstoffe,
wie beispielsweise Methan, Ethan, Propan und iso-Butan, ungesättigte Kohlenwasserstoffe,
wie beispielsweise Ethen und Propen und Wasserstoff. In Abhängigkeit von der Methode
und den Bedingungen der Methylchlorsilan-Abtrennung kann das verbleibende Gasgemisch
auch flüchtige Borverbindungen und Reste an Methylchlorsilanen enthalten. Dieses Gasgemisch
kann, falls erwünscht ganz oder teilweise weiter aufgereinigt werden, um die Konzentration
an Chlormethan zu steigern und somit eine höhere Reaktivität in der Direktsynthese
zu bewirken. Geeignete Aufreinigungsmethoden sind beispielsweise, Kondensation des
Chlormethan und Entfernung der restlichen gasförmigen Bestandteile, oder verschieden
Formen der Destillation, oder gezielte Ab- oder Adsorption.
[0033] In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Methylchlorsilanabtrennung
und die gegebenenfalls stattfindende nachfolgende Reinigung des vorwiegend Chlormethan
enthaltenden Gasgemisches derart betrieben, dass die darin enthaltenen flüchtigen
Borverbindungen und gegebenenfalls Methylchlormonosilane nicht vollständig entfernt
werden. Das Gasgemisch wird so vorzugsweise als Chlormethan (b) eingesetzt.
[0034] Das Mischungsverhältnis Chlormethan (a) : Chlormethan (b) richtet sich hauptsächlich
nach den Umsatzraten der Direktsynthese und liegt im Regelfall im Bereich bei 20 :
80 bis 80 : 20. Es können aber auch davon abweichende Verhältnisse eingestellt werden.
Das Vermischen von Chlormethan (a) mit Chlormethan (b) erfolgt vorzugsweise vor dem
Direktsynthesereaktor und soll möglichst innig sein. Temperatur und Druck beim Vermischen
der beiden Produktströme sowie Verweilzeit vor dem Einbringen in den Direktsynthese-Reaktor
sind von untergeordneter Bedeutung.
[0035] Die Reaktionsprodukte aus den Borverbindungen mit Sauerstoff und gegebenenfalls Methylchlormonosilanen
mit Wasser sind bei 0,10 MPa und 20°C flüssig oder fest und können, falls erwünscht,
vor dem Einspeisen in den Reaktor der Direktsynthese ganz oder teilweise vom Chlormethan-Gemisch
abgetrennt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen durch Filtration, Destillation
oder Kondensation. Eine Abtrennung dieser Verbindungen ist beim erfindungsgemäßen
Verfahren jedoch nicht unbedingt erforderlich, da die Reaktionsprodukte in der Direktsynthese
eine viel geringere, schädliche Wirkung aufweisen als Sauerstoff oder Wasser.
[0036] Im nachfolgenden Beispiel sind, falls nicht anders angegeben,
- a) alle Mengen auf die Masse bezogen;
- b) alle Drücke 0,10 MPa (abs.);
- c) alle Temperaturen 20°C.
Beispiel:
Analytik
[0037] Leichtsiedende Bor-Verbindungen wie z.B. Trimethylboran in Chlormethan lassen sich
gaschromatographisch bestimmen. Die Probenaufgabe erfolgt vorzugsweise mittels Dosierschleife.
Beim Probenhandling ist auf Ausschluss von Sauerstoff und / oder Feuchtigkeit in den
Probengefäßen, Probenleitungen, Dosiersystemen und der Gasversorgung zu achten. Die
Trennung erfolgt mittels Kapillartrennsäule, beispielsweise mit einer 50 m Säule,
belegt mit Dimethylpolysiloxanphase, 0,2 mm Innendurchmesser, 0,5 µm Filmdicke bei
35 °C. Die Detektion erfolgt über einen spezifischen Detektor wie z.B. ein handelsübliches
Quadrupol Massenspektrometer, Damit sind Nachweisgrenzen realisierbar von 10 Vol.-ppm,
in günstigen Fällen sind auch noch geringere Nachweisgrenzen möglich. Bei Dotierung
der Trimethylboran haltigen Chlormethan Probe mit Sauerstoff lässt sich mit dem oben
beschriebenen GC-MS System Trimethylboroxin und andere Bor-Sauerstoffverbindungen
nachweisen. Molekularer Sauerstoff lässt sich erst dann nachweisen, wenn die vorhandenen
reaktiven Bor-Verbindungen vollständig abreagiert sind. Mit diesem GC/MS System kann
auch die Bestimmung von Sauerstoff in Chlormethan durchgeführt. Eine Nachweisgrenze
von 2 Vol.-ppm ist realisierbar. Der Sauerstoff Blindwert des Verfahrens ist hierbei
genau zu kontrollieren.
Durchführung (erfindungsgemäß):
[0038] In einem großtechnischen Wirbelschichtreaktorsystem zur Herstellung von Methylchlorsilanen,
wie es in
Handbook of Heterogeneous Catalysis; Edited by G. Ertl, H. Knörzinger, J. Weitkamp,
VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1997; Volume 4 "The Direct Process to Methylchlorosilanes
(Müller-Rochow Synthesis)", B. Pachaly, Seite 1791-1793 und Abbildung 1 beschrieben ist, wurden Methylchlorsilanabtrennung und Kreisgasreinigung so betrieben,
dass im Kreislauf-Chlormethan 300 Vol.-ppm Trimethlyboran und 49 mg Chlormonosilane
pro m
3 bei 0,10 MPa und 20°C enthalten blieben. Die Methylchlorsilane waren ein Gemisch
aus Dimethylchlorsilan, Methyldichlorsilan, Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan
und Trimethylchlorsilan.
Das eingesetzte frische Chlormethan enthielt 30 Vol.-ppm Sauerstoff und 20 Vol.-ppm
Wasser. Kreislauf- Chlormethan und frisches Chlormethan wurden im Verhältnis 60:40
innig vermischt, durch einen Gasfilter geleitet und in den Wirbelschichtreaktor eingebracht.
Im Gasfilter schied sich ein heller Feststoff mit folgender Zusammensetzung ab: 44,0
Gew.% Silicium; 7,4 Gew.% Chlor; 17,4 Gew.% Kohlenstoff; 25,3 Gew.% Sauerstoff; 5,1
Gew.% Wasserstoff; 0,2 Gew.% Bor. Im Gasgemisch nach dem Gasfilter lagen der Sauerstoff-
und Wassergehalt unter der Nachweisgrenze. Somit ist der Nachweis erbracht, dass durch
Borverbindungen und gegebenenfalls Methylchlorsilane im Kreislauf-Chlormethan Sauerstoff
und gegebenenfalls Feuchtigkeit aus dem frischen Chlormethan entfernt werden.
1. Verfahren zur Direktsynthese von Methylchlorsilanen durch Umsetzung von Chlormethan
mit einer Kontaktmasse, welche Silicium und Kupferkatalysator enthält, bei dem die
Konzentration an Sauerstoff im eingesetzten Chlormethan durch Vermischen von
a) Chlormethan, welches Sauerstoff enthält und
b) Chlormethan, welches eine gasförmig vorliegende Borverbindung enthält, reduziert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, welches kontinuierlich durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, bei dem nach der Direktsynthese aus dem das den Reaktor
verlassenden Produktgemisch die darin enthaltenen flüchtigen Borverbindungen nicht
vollständig entfernt werden und das resultierende vorwiegend Chlormethan enthaltende
Gasgemisch als Chlormethan (b) eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, bei dem das Mischungsverhältnis Chlormethan (a) :
Chlormethan (b) 20 : 80 bis 80 : 20 beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei dem die Konzentration an flüchtigen Borverbindung
im Chlormethan (b) mindestens 50 Vol.-ppm beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei dem das Chlormethan (b) zusätzlich Methylchlormonosilane
enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Chlormethan (b) pro m3 bei 0,10 MPa und 20°C mindestens 5 mg Methylchlormonosilane enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, bei dem nach der Direktsynthese aus dem das den Reaktor
verlassenden Produktgemisch die darin enthaltenen Methylchlormonosilane nicht vollständig
entfernt werden.
1. Process for the direct synthesis of methylchlorosilanes by reaction of chloromethane
with a contact composition comprising silicon and copper catalyst,
wherein the concentration of oxygen in the chloromethane used is reduced by mixing
of
a) chloromethane which contains oxygen and
b) chloromethane which contains a gaseous boron compound.
2. Process according to Claim 1 which is carried out continuously.
3. Process according to Claim 1 or 2, wherein the volatile boron compounds present in
the product mixture leaving the reactor after the direct synthesis are not removed
completely and the resulting gas mixture comprising predominantly chloromethane is
used as chloromethane (b).
4. Process according to any of Claims 1 to 3, wherein the mixing ratio of chloromethane
(a) : chloromethane (b) is from 20:80 to 80:20.
5. Process according to any of Claims 1 to 4, wherein the concentration of volatile boron
compound in the chloromethane (b) is at least 50 ppm by volume.
6. Process according to any of Claims 1 to 5, wherein the chloromethane (b) additionally
contains methylchloromonosilanes.
7. Process according to Claim 6, wherein the chloromethane (b) contains at least 5 mg
of methylchloromonosilanes per m3 at 0.10 MPa and 20°C.
8. Process according to Claim 6 or 7, wherein the methylchloromonosilanes present in
the product mixture leaving the reactor after the direct synthesis are not removed
completely.
1. Procédé en vue de la synthèse directe de méthylchlorosilanes par réaction de chlorométhane
avec une masse de contact, qui contient du silicium et un catalyseur au cuivre, dans
lequel on réduit la concentration de l'oxygène dans le chlorométhane utilisé par mélange
a) du chlorométhane qui contient de l'oxygène et
b) du chlorométhane qui contient un composé du bore présent sous forme gazeuse.
2. Procédé selon la revendication 1 qui est effectué en mode continu.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les composés du bore volatils qui
sont contenus dans le mélange de produits quittant le réacteur après la synthèse directe
ne sont pas conplètement éliminés et dans lequel on utilise le mélange gazeux résultant
contenant pour l'essentiel du chlorométhane en tant que chlorométhane (b).
4. Procédé selon la revendication 1 à 3, dans lequel le rapport de mélange chlorométhane
(a) : chlorométhane (b) est de 20 : 80 à 80 :20.
5. Procédé selon la revendication 1 à 4, dans lequel la concentration en composé du bore
volatil dans le chlorométhane (b) est d'au moins 50 ppm en volume.
6. Procédé selon la revendication 1 à 5, dans lequel le chlorométhane (b) contient en
outre du méthylchloromonosilane.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le chlorométhane (b) contient, à 0,10
MPa et 20 °C, au moins 5 mg de méthylchloromonosilane par m3.
8. Procédé selon la revendication 6 et 7, dans lequel les méthylchlorosilanes qui sont
contenus dans le mélange de produits quittant le réacteur après la synthèse directe
ne sont pas conplètement éliminés.